Электронный научный журнал
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

НИКЕЛЬ В МИКРО – И НАНОСТРУКТУРАХ

Ю Цзиньян 1 Люй Цзиньчжэ 1 Лю Цан 1
1 Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Статья посвящена сравнительному анализу свойств Ni в микро- и наноструктурах. Представлены зона бриллюэна и типы прямой и обратной кристаллической решетки никеля в микроструктуре. В статье изучались механические свойства Ni в микро- и наноструктурах. Показано, что Ni близок к обыкновенным металлам по величине энергии Ферми и свойства Ni в микро- и наноструктурах существенно различаются. При рассматриваемом размере наноструктуры Ni (70 нм) основное влияние на изменение свойств Ni оказывает классический размерный эффект. Полученные результаты были подтверждены сравнением размера порошка Ni и длина волны Дебройля электрона в наноструктуре Ni. Рассмотрены физические причины изменений свойств в наноструктуре никеля. Приведены методы получения и применение наноникеля.
прямая и обратная решетка
поверхность Ферми
классический размерный эффект
Нанопорошок
зона Бриллюэна
a) URL:https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9D%D0%B8%D0%BA%D0%B5%D0%BB%D1%8C (дата обращения: 01.01.2010).
b) ФИЗИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: Учебник для вузов: В 6 т. / Под общей ред. Б. А. Калина. – М.: МИФИ, 2007.
c) ТЕХНОЛОГИИ КОНСТРУКЦИОННЫХ НАНОСТРУКТУРНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОКТЫТИЙ / П.А. Витязя [и др.] ; под общ. Ред. П. А. Витязя и К. А. Солнцева. – Минск : Белорус. наука, 2011. – 283с. – ISBN 978-985-08-1292-6/
d) URL: http://www.rusnanonet.ru/goods/32001/ (дата обращения: 10.2013 г).
e) Н.А. Азаренков, А.А. Веревкин, Г.П. Ковтун. ОСОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОМАТЕРИАЛОВ, - 2009. – 69с.
f) С.П. Бардаханов, Ю.Я. Гафнер, С.Л. Гафнер, А.И. Корчагин, В.И. Лысенко, А.В. Номоев. Получение нанопорошка никеля испарением исходного крупнодисперсного вещества на ускорителе электронов // Физика твердого тела. 2011. № 4. С.797-802
g) С.П. Бардаханов, Ю.Я. Гафнер, С.Л. Гафнер, А.И. Корчагин, В.И. Лысенко, А.В. Номоев. ДВУХПИКОВОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПО РАЗМЕРУ НАНОКЛАСТЕРОВ НИКЕЛЯ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ИСПАРЕНИИ КРУПНОДИСПЕРСНОГО ВЕЩЕСТВА // Вестник ТвГУ. Серия физика. 2001. № 6. С.76-86

Никель – элемент десятой группы четвёртого периода периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева, с атомным номером 28. Обозначается символом Ni. Простое вещество никель – это пластичный, ковкий, переходный металл серебристо-белого цвета, при обычных температурах на воздухе покрывается тонкой плёнкой оксида. Имеет гранецентрированную кубическую решетку с периодом a = 0,35238 нм [a].

Рис. 1. Прямая решетка никеля (ГЦК)

Обратная решетка никеля(ОЦК) с параметром a * = = 17.831 нм-1 :

Рис. 2. Обратная решетка никеля(ОЦК)

 

Поверхность Ферми и зона Бриллюэна. Краткая характеристика

Кристалл никеля имеет поверхность Ферми как показано на рис. 3. В большинстве случаев находясь внутри представляющей собой многогранник зоны Бриллюэна, реальная поверхность Ферми имеет не сферическую форму, которую имеет идеальная поверхность Ферми [b].

Рис. 3. Поверхность Ферми никеля внутри зоны Бриллюэна

В теории твердого тела энергия Ферми является одним из нескольких важных параметров кристалла, с учетом этого сравнение энергии Ферми никеля с обыкновенным металлом получает существенное значение для исследования свойств никеля.

Для обыкновенных металлов:

Концентрация атомов n = 1022 1023 см-3 = 1029 м-3

1) При температуре T = 0 К, энергия Ферми:

(0) =

=

= 1.26 Дж

2) При температуре T 0 К (T = 300К), энергия Ферми:

(0) [1 –

= 1.26 [1 – (

= 1.26 Дж

Для металла никеля:

Концентрация электронов проводимости n = , где Z – число валентных электронов одного атома никеля, ρ – плотность металла никеля, M – молярная масса никеля.

1) При температуре T = 0 К, энергия Ферми:

(0) =

=

= 1.88Дж

2) При температуре T 0 К (T = 300К), энергия Ферми:

(0) [1 -

= 1.88 [1 – (

= 1.88 Дж

Энергия Ферми при температурах 0 К и 300 К не различается в связи с тем, что величина в квадратных скобках, которая вычитается из единицы очень мала.

Исходя из полученных данных наглядно видно, что Ni близок к обыкновенным металлам по величине энергии Ферми.

На возможность создания новых материалов путем сборки малоразмерных объектов (атомов, молекул или их групп) указал нобелевский лауреат Р. Фейнман в 1959 г. Термин «нанотехнология» впервые предложил японец Н. Танигучи в 1974 г. На возможность создания материалов с размерами зерен менее 100 нм, которые должны обладать многими интересными и полезными дополнительными свойствами по сравнению с традиционными микроструктурными материалами, указал немецкий ученый Г. Глейтер в 1981 г. С учетом этого для получения материала никеля с новыми свойствами надо уделить особое внимание на исследование наноструктуры никеля [c].

В таблице 1 представлено сравнение свойства никеля в микро- и наноструктурах [d].

Таблица 1

Свойства

Микроструктура

Наноструктура

Удельное электрическое сопротивление, кОмм

68.4

25

Плотность, г/см3

8.902

0.66

Температура плавления, К

1726

1725[6]

Температура кипения, К

3005

3125

Исходя из таблицы, очевидно, что удельное электрическое сопротивление и плотность никеля в наноструктурах существенно уменьшились по сравнению с микроструктурой, температура кипения в первом случае меньше чем во втором, а температура плавления никеля в микро- и наноструктурах почти одинакова.

Из литературных данных следует [e], что появления необычных свойств наносистем вызывают либо классический, либо квантовый размерный эффект.

Когда геометрический размер наноструктуры соизмерим с длиной свободного пробега носителей заряда проявляется классический размерный эффект; если геометрический размер наноструктуры соизмерим с длиной волны де Бройля электрона проявляется квантовый размерный эффект.

В наноструктуре никеля принимают скорость движения электрона v = 106 м/с, масса электрона m = 9.1 кг, то длина волны Дебройля λ = В данном случае рассматривается порошок никеля размером D порядка 70 нм, очевидно, что λ D. Поскольку длина волны де Бройля значительно меньше размеров наночастиц никеля, то основное влияние на изменение свойств нанопорошка никеля по сравнению с микроструктурой оказывает классический размерный эффект.

Физические причины изменений свойств в наноструктуре никеля связаны с большой долей приповерхностных атомов:

1) Ненасыщенность атомных связей у поверхности.

2) Искажение решетки у поверхности.

3) Поверхностные эффекты механических свойств.

4) Тонкие физические эффекты взаимодействия электронов со свободной поверхностью.

5) Из-за малых размеров эффективный сток кристаллических дефектов.

Технология получения

В настоящее время порошок никеля определенного размера получают испарением техногенных и природных исходных материалов на ускорителе электронов в атмосфере различных газов при атмосферном давлении с последующим охлаждением высокотемпературного пара и улавливанием наночастиц в виде порошка [f].

Для получения порошка никеля размером 70 нм используется схема, представленная на рис. 4.

Рис. 4. Упрощенная электрическая схема ускорителя ЭЛВ [7]

1– катод электронной пушки, 2 – ускорительная трубка, 3 – электронный пучок, 4 – катушки системы формирования растра, 5 – выпускное устройство, 6 – титановая фольга, 7 – тиристорный ключ, 8 – система управления ( ССЭ – система стабилизации энергии, ССТ – система стабилизации тока, СФР – система формирования растра, МИИС – модульная информационно-измерительная система, ЭВМ – управляющий компьютер, УСП – система управления силовым питанием). ПЧ – преобразователь частоты, БУИ – блок управления инжектором.

Применение нанопорошка никеля

Уже сейчас нанопорошки никеля нашли широкое применение в качестве многофункциональных присадок к различного рода маслам, смазкам, доводочно-притирочным пастам и суспензиям. Также использование нанопорошков никеля в качестве активаторов позволяет ускорить процесс спекания промышленных порошков. Введение всего 0.5 5 wt% наноникеля в промышленные смеси снижает температуру спекания на 400 800 °C и сокращает его время в несколькл раз. При этом повышаются твердость и ударная вязкость конечной продукции. Весьма перспективно использование нанопорошков никеля в композиционных материалах, содержащих пластмассы и полимеры. В этом случае возможно изготовление пластиковых магнитов, электропроводящей резины, красок и клеев [g].

Порошок никеля находит применение в катализе и материаловедении; в получении эластичного слоистого электропроводящего материала; получении мелкодисперсных покрытий на керамических, кварцевых, металлических, пластмассовых, композиционных изделиях любой сложности формы; в изготовлении конденсаторов; в электронной промышленности [d].


Библиографическая ссылка

Ю Цзиньян, Люй Цзиньчжэ, Лю Цан НИКЕЛЬ В МИКРО – И НАНОСТРУКТУРАХ // Международный студенческий научный вестник. – 2016. – № 2. ;
URL: https://eduherald.ru/ru/article/view?id=15143 (дата обращения: 19.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074